книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

напряжение, подаваемое на управляющую обмотку серводвигателя СР.

Фаза подаваемого напряжения зависит от того, какая пара магнитных усилителей — МУ1, МУЗ или МУ2, МУ4 открывается.

Работа схемы. В исходном положении э. д. с. е1, е2, ея, е4 от сель­ синов-трансформаторов ЛУ, 0С2, 0С1 и тахогенерагора ТГ равны ну­ лю. На выпрямители 8, 9 фазочувствительного устройства ФЧВ от вторичных обмоток опорного трансформатора Тр будут подаваться одинаковые напряжения Up, (Л, которые создадут равные токи в це­ пях управляющих обмоток 0У2, 0У4 и 0У1, ОУЗ усилителей.

Мост, составленный из рабочих обмоток магнитных усилителей, находится в равновесии. Напряжение на обмотке 2 серводвигателя

равно нулю. Настройка равновесного состояния и вообще регулировка усилителей производится сопротивлением в дополнительной обмотке смещения (на схеме не показано) отдельно для каждого усилителя.

При перекладке руля в пределах ± 5° схема работает следующим образом. Управление производится поворотом сельсина-трансформа­ тора ПУ в необходимую сторону, например вправо. Появится э. д. с. е4, которая будет складываться с напряжением U4 и вычитаться из напряжения U2. На выпрямителях 8 и 9 результирующее напряжение равно соответственно U8 = U4 ер, UB= U2 — е4. Ток в обмотках ОУ4, 0У2 увеличится, а в обмотках 0У1, ОУЗ уменьшится. Усилители МУ2, МУ4 откроются. На обмотке 2 серводвигателя появится напря­ жение соответствующей фазы. Серводвигатель СР начинает вращаться

и через гидроусилитель обеспечит подачу масла от насоса на рулевую машину для перекладки руля вправо. Одновременно будет повора­ чиваться сельсин-трансформатор ОС2, вырабатывая э. д. с. е2 направ­ ленную встречно ех. При равенстве углов поворота ПУ и 0С2 ег = е2. Напряжения на выпрямителях 8 и 9 уравниваются. Серводвигатель

останавливается. При перемещении руля поворачивается сельсинтрансформатор 0С1, создавая э. д. с. е4 обратной фазы по отношению

к заданной постом управления. Общий добавочный сигнал станет отрицательным. Напряжение на выпрямителях будет Ua = — ер, UB= U2 + е4. Откроются усилители МУ1, МУЗ. Фаза напряжения на управляющей обмотке 2 серводвигателя изменится, и он будет вра­

щаться в обратную сторону. В согласованном положении е4 — е4 = О, е2 = 0 серводвигатель стоит в нулевой позиции, руль переложен на

угол, на который повернут пост управления.

Работа тахогенератора как элемента гибкой отрицательной обрат­ ной связи не вносит существенных изменений в общий принцип действия схемы. Вырабатываемая тахогенератором э. д. с. е3 направлена в сто­ рону уменьшения общего управляющего сигнала, снижения степени открытия магнитных усилителей и уменьшения частоты вращения сер­ водвигателя. Тахогенератор оказывает демпфирующее действие, спо­ собствуя плавному переходу руля в требуемое положение без перере­ гулирования. В общем случае, когда идет одновременно правый пово­ рот ПУ, ОС2, ОС1 и работает тахогенератор, напряжения на фазо­

260

риод работает подобно рассмотренному. После поворота сельсина 0С2

па 5° серводвигатель доводит выходной орган исполнительного меха­ низма до упора и останавливается. Подача насоса будет максимальной и постоянной, скорость перекладки — наибольшей. Такой режим про­ должается до тех пор, пока разность угловых положений сельсинов ПУ п 0С1 (руля) не будет равна 5°, что соответствует уравниванию

дача масла в гидроцилиндры рулевой машины уменьшится, скорость перекладки постелено будет снижаться. В заданном штурвалом поста положении, когда руль повернется на требуемый угол, снова наступит равновесие: е4 — е4, е2 = 0 , U8 — U0, и серводвигатель остановится.

§ 62. Схемы управления секторными рулевыми электроприводами

В приводах с секторными механизмами задание перекладки, изменение скорости и направления движения руля про­ изводятся непосредственно исполнительным двигателем. Тяжелый ре­ жим работы, частые пуски и реверсы в сочетании с требованиями обес­ печения высокой надежности обусловили наибольшее распространение в приводах рассматриваемого вида системы генератор— двигатель. Ре­ лейно-контакторные системы с непосредственным питанием ИД от

сети постоянного тока применяются сравнительно редко. Опытное ис­ пользование контакторных, а также дроссельных схем управления асинхронным короткозамкнутым двигателем, проведенные рядом орга­ низаций, несмотря на полученные качественно приемлемые результаты, не поколебало прочных позиций, занимаемых системой Г—Д в сектор­ ных рулевых приводах.

• В систему генератор— двигатель при питании от сети переменного тока входит следующее оборудование: а) исполнительный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением; б) трехмашинный пре­ образовательный агрегат, состоящий из приводного асинхронного дви­ гателя ПД, генератора Г и возбудителя В; в) аппаратура управления,

защиты и сигнализации.

Трехмашинный агрегат устанавливается чаще всего в румпельном отделении, где имеется щиток питания рулевого привода с соответст­ вующей коммутационной аппаратурой. Пуск агрегата, необходимый для изготовки системы управления рулем, производится дистанцион­ но, не менее чем из двух постов, включая местный, — в румпельном отделении. Посты оборудованы ламповыми указателями рабочего со­ стояния. Перегрузка приводного двигателя контролируется тепловыми реле, действующими на сигнальные устройства.

Схема простого действия. Система генератор— двигатель с контакт­ ными постами управления использована на теплоходах типа «Архан­

261

гельск», «Тисса», рыболовных траулерах БМРТ и др. На рис. 160 рас­ сматривается принципиальная схема рулевого привода судов серин «Андижан».

Питание цепей возбуждения и управления осуществляется от воз­ будителя В, который вращается вместе с генератором приводным дви­ гателем (на схеме не показано). Ручным регулятором R1 устанавли­

которая при увеличении тока размагничивает генератор. Вместе с тем ПКО защищает и приводной двигатель, так как увеличение тока в цепи

якорей сопровождается одновременным снижением напряжения гене­ ратора, а следовательно, и его мощности. Например, в режиме стоянки ИД под током (пуск) мощность на валу приводного двигателя меньше номинальной. В цепь якоря ИД дополнительно включено грузовое реле РГ, которое при увеличении тока шунтирует сопротивление R3. Поток

возбуждения повышается, улучшаются тяговые свойства двигателя, снижается скорость перекладки руля.

Бесконтактная схема следящего действия (рис. 161). Использована на судах типа теплохода «Повенец». Здесь применена квадратичная система генератор-двигатель. Управление генератором осуществляется через возбудитель В. Последний имеет две дифференциально включен­ ные обмотки ОВВ, каждая из которых получает питание от своего маг­ нитного усилителя МУ1 или М У2. Усилители с самонасыщением имеют

выход на постоянном токе, снабжены двумя обмотками управле­

262

ния 0У1, ОУЗ или 0У2, 0У4, м. д. с. которых направлены встречно. Обмотки ОУ1 и ОУ2, принадлежащие разным усилителям, соединены последовательно и работают от выпрямителя 3. Аналогичная цепь, составленная из обмоток ОУЗ, ОУ4, подключена к выпрямителю 4.

При равных напряжениях U3 и £/4 по обмоткам пойдут одинаковые

токи, и общая м. д. с. управления каждого усилителя будет равна ну­ лю. Усилители или полностью закрыты, или полуоткрыты. Степень на­

бужден, и ИД стоит. Для перекладки, например, вправо поворачивают штурвал поста и связанный с ним сельсин ПУ . На вторичной обмотке сельсина появится э. д. с. ег определенной фазы (первая полуволна по­ казана стрелкой). На выпрямителях 3 и 4 появятся следующие напря­ жения: U3 = Ux — ех; Ui = U2 + ех. Сигнал на усилителе М У 1 будет открывающим, а на М У2 — закрывающим. Ток в обмотке 6 возбуди­ теля увеличится, а в обмотке 5 — уменьшится. На генераторе появится напряжение определенной полярности. ИД начнет перекладывать руль на правый борт. Вместе с баллером повернется сельсин ДОС, на выход­ ной обмотке которого образуется э. д. с. е2встречной фазы относитель­ но ех.

Разность напряжений между £/4 и U3 будет уменьшаться, что при­

ведет к снижению м. д. с. возбуждения возбудителя и уменьшению час­ тоты вращения исполнительного двигателя. Когда сельсин ДОС до­ стигнет такого же положения, что и ПУ, э. д. с. ех и е2 уравняются.

263

Действие управляющего сигнала прекратится, и ИД остановится.

В динамике перекладки сигнал открытия усилителей формируется

между ПУ и ДОС. При углах рассогласования, превышающих 4—5°, усилитель МУ1 полностью открыт, а М У2 — закрыт. Напряжение

на возбудителе достигает наибольшего значения. Следовательно, пе­ рекладка на большие углы ведется с максимальной скоростью, которая постепенно снижается при подходе к заданному положению.

Работа схемы по перекладке на левый борт происходит аналогичным образом. Фаза э. д. с. ех изменяется на 180°. Большим становится на­ пряжение U3, меньшим — £/4. Усилитель МУ2 открывается, а уси­ литель МУ 1 закрывается. Полярность возбудителя меняется на обрат­

ную. Исполнительный двигатель реверсируется.

Рассмотренный принцип бесконтактного управления является уни­ версальным. В частности, аналогичная схема использована для управ­ ления серводвигателем электрогидравлическон рулевой машины на некоторых судах типа теплохода «Выборг».

§ 63. Системы автоматического управления рулем

Системы автоматического управления рулевым электроприводом содержат наряду с электрическими и механическими элементами — редукторы, дифференциалы и т. д. Поэтому они назы­ ваются электромеханическими. Электромеханические авторулевые разделяются на контактные и бесконтактные. Первые из них преры­ вистого, дискретного действия, а вторые — непрерывного действия. Датчиком угла отклонения судна от заданного курса обычно служит гирокомпас, поэтому авторулевые иногда называют гирорулевыми.

Рассмотрим некоторые виды рулевых автоматов, получивших рас­ пространение на морских судах.

Авторулевой «Anschutz». Принципиальная схема и кинематика работы показаны на рис. 162. Авторулевой может работать в сочетании с любыми видами приводов. Управляющий сигнал формируется замы­ канием верхнего или нижнего контакта группы А, что вызывает ожив­ ление одного из промежуточных реле по электрической цепи а или б.

В зависимости от штатной схемы реле обеспечивает включение элемен­ тов по перекладке руля. В системе Г—Д это будет одна из дифферен­ циальных обмоток генератора, в гидравлических сервоприводах — электромагнит золотника. Работа схемы происходит следующим обра­ зом. Приемник 1 питается от датчика гирокомпаса через передачу 2. Он связан с картушкой 3 указателя курса и через дифференциальный редуктор 4 — с зубчатым диском 8. Уклонение судна с курса вызывает поворот диска 8. Рычаг 7 отклоняется от нейтрального положения, и подвижный контакт 6 замыкает цепь управления рулем (а или б).

Руль перекладывается в сторону возвращения судна на курс. От дат­ чика положения руля (управляющей каретки) питается сельсин-при­

264

емник 12, обеспечивающий обратную связь по углу кладки руля. При движении руля приемник через редуктор 13, муфту с регулируемым зазором 11, дифференциальные редукторы 9 и 4 вызывает обратный по­ ворот диска 8. При определенном угле поворота руля рычаг 7 возвра­

щается в нейтральное положение, что прекращает перекладку.

Угол первичной кладки или коэффициент обратной связи КОС, оп­ ределяющий необходимый поворот руля при определенном уклонении судна, регулируется рукоят­ кой 14 путем изменения пе­

редаточного числа редуктора 13. Величина нелинейного ко­

эффициента обратной связи зависит также от величины зазора в соединительной муф­ те 11, значение которого мож­

но менять регулятором вто­ ричной кладки 15. В начале

возвращения судна на курс приемник 1 меняет направле­

ние поворота, что через диск 8 н подвижный контакт 6 вы­

зывает замыкание электриче­ ской цепи, включающей схему обратной перекладки руля. При правильной установке регуляторов плавный возврат судна на курс определяет от­ ключение руля точно в диа­ метральной плоскости.

Изменение курса судна производится штурвалом 10

без выключения авторулево­ го. Штурвал через редукторы 9 и 4 действует на диск 8.

Регулятором чувствительно­ сти 5 может быть изменена величина зазора между контактами, что ис­

ключит работу рулевой машины при естественных рысканьях судна в свежую погоду.

Авторулевой AEG. Имеет несколько модификаций, позволяющих общий принцип регулирования сочетать с различными схемами управ­ ления. На рис. 163 показана принципиальная схема авторулевого при­ менительно к рулевой электрогидравлической машине с золотниковым гидросервоприводом.

В кинематической схеме (рис. 163, а) нет непосредственной обратной

связи по углу перекладки руля. Она введена в электрическую схему управления (рис. 163, б). Сельсин-приемник 1 питается отдатчика гиро­ компаса и через редуктор 2 действует на картушку 3, имеющую шкалу • грубого и точного отсчета. Одновременно через редуктор 4 движение передается на диск 5, а через дифференциальный редуктор 13 — на

265

диск 12. Диск 5 связан моментом трения, который может регулиро­ ваться пружиной 6. Выступ диска при повороте замыкает правую или левую группу контактов 8 и при работе в режиме упора прос­

кальзывает относительно ведущей оси.

Зубцовый диск 12 действует на контактную группу 9 через кача­ ющийся рычаг 11.

Предположим, что судно уходит вправо от курса. В этом случае выступом диска 5 замыкается контакт е, а рычагом от диска 12 — кон­ такт в. Контакт в через переключатель уставки первичной кладки руля

Рис. 163. Принципиальная схема контактного авторулевого фирмы AEG:

а — кинематическая схема; 6 — схема электрических соединений

на левый борт УРЛ (см. рис. 163, б) и путевой выключатель ВПЛ1 собирает цепь реле РЛ, которое включает электромагнит ЭЛ золотни­

ка управления. Руль перекладывается на левый борт до тех пор, пока цепь реле РЛ не оборвется контактом путевого выключателя (контакт ж). Под действием переложенного руля судно будет поворачиваться влево. Диск 5 развернется в обратную сторону и замкнет контакт д, который включит реле руля РР. Последнее через элемент путевого пе­ реключателя ВПЛ2 включит электромагнит ЭП, задающий обратную перекладку по возврату руля к диаметральной плоскости. ВПЛ2

отключает цепь, когда управляющая каретка не дойдет 0,5° до нулевого положения. К этому времени при правильной настройке судно возвра­ щается на курс.

При уходе судна влево схема работает аналогично. Руль перекла­ дывается на правый борт. Возврат руля осуществляется включением электромагнита ЭЛ и контролируется путевыми элементами правого борта. Контакты путевого переключателя ВПЛ2 разомкнуты в поло­ жениях —0,5° +35° правого борта, контакты В П П 2 ----- 1-0,5° — 35°

левого борта. Уставка первичной кладки может изменяться в зависи-

266

мости от управляемости судна регуляторами УРЛ и УРП. Причем она

может быть неодинаковой для кладки руля на правый и на левый борт. Чувствительность авторулевого регулируется зазором между контакта­ ми 9. Изменением пространственного положения контактов 8 с помо­

щью рукоятки 7 регулируется угловой поворот судна, когда включает­ ся система возврата руля. Регулятором 7 можно добиться состояния наименьшего рыскания для данных условий плавания. Изменение курса производится поворотом штурвала 14 без выключения авторулевого.

Рис. 164. Блок-схема бесконтактного авторулевого АБР

Если перекладка руля, выполненная в соответствии с настройкой недостаточна и судно продолжает уходить с курса в прежнюю сторону, то от диска 12 (на схеме не показано) вводятся в работу контакты гру­ бой настройки, включающие те же реле РЛ или РП, для продолжения

перекладки. Отключение происходит второй группой путевых выклю­ чателей в соответствии с положением уставки регулятора вторичной кладки руля. Работа системы возврата руля остается неизменной.

Авторулевой АБР является первым отечественным рулевым ав­ томатом, использующим непрерывный принцип управления. Имеет не­ сколько модификаций, допускающих его применение с рулевыми при­ водами различных типов. На рис. 164 представлена блок-схема автору­ левого, работающего в сочетании с электрогидравлической рулевой машиной. Схема содержит: рулевой механизм РМ с рулевой машиной, насосом Н и электродвигателем ИД, сервомеханизмом СМ с серводви­ гателем СР, работающим от электромашинного усилителя ЭМУ. Пульт

267

управления ПУ устанавливается в рулевой рубке и имеет элементы

натройки, контроля и переключатели режимов.

Задающий сигнал, определяющий программу перекладки, форми­ руется на переменном токе и через усилитель У2 и фазочувствительный выпрямитель ФЧВ подается на дифференциальные обмотки ЭМУ.

В качестве преобразователей угловых перемещений в электрический сигнал применяются линейные поворотные трансформаторы.

Следящее управление осуществляется штурвалом 3. Переключатели режимов стоят в положении Р — ручное управление. Благодаря на­ правленной передаче 2 действие штурвала передается только в левую сторону (показано стрелкой). При этом поворачивается индекс 6, по­

казывающий угол задания перекладки руля и поворотный трансфор­ матор ЛПТр-К. Напряжение с ЛПТр-К определенной фазы, зависящей от направления угла поворота, через сумматор 10, фазочувствительный усилитель У2, ФЧВ и сервомеханизм СМ задает перекладку руля в тре­

буемом направлении.

При работе серводвигателя СР поворачивается датчик обратной связи ЛПТр-Р, который вырабатывает напряжение, уравновешива­ ющее сигнал управления. Перекладка прекращается, когда ЛПТр-Р достигнет заданного ЛПТр-К положения. Характер зависимости вы­ ходного напряжения ЛПТр-Р от угла может регулироваться измене­

нием напряжения питания. Такая регулировка осуществляется мас­ штабным трансформатором МПТр посредством рукоятки коэффициента обратной связи КОС. При работе в следящем режиме КОС= 1, что означает равенство встречных напряжений ЛПТр-Р и ЛПТр-К при

одинаковых углах поворота.

Обратная связь от якоря ЭМУ, подаваемая на сумматор 10 через демодулятор 9 (преобразователь] постоянного тока в переменный),

обеспечивает стабилизацию режима (по величине и скорости изменения напряжения) работы контура ЭМУ — серводвигатель СР и на общий

принцип следящего управления влияния не оказывает. Автоматическое управление. Переключатель режимов ставят в по­

ложение А — автомат. Основная схема регулирования будет такая же,

как и для следящего режима. Уклонение судна от курса сопровож­ дается поворотом ведущего сельсина 1, который через передачу 2 свя­ зан с ЛПТр-К■ Угол отклонения судна определит величину и знак сиг­ нала, снимаемого с ЛПТр-К- Руль, соответственно принципу работы

следящей системы, получит требуемое перемещение. Возвращение суд­ на на курс вызовет изменение фазы суммарного сигнала от ЛПТр-К и ЛПТр-Р, что определит перекладку руля в сторону диаметральной

плоскости.

Управляемость судна меняется в процессе эксплуатации в зависи­ мости от скорости хода степени загрузки, крена, дифферента. По­ этому соотношение между углом ухода судна и поворотом пера руля

рулевого на описанном принципе оценки состояний курсового угла не может быть устойчивой из-за большой инерционности объекта. Так, при возвращении на курс, сопровождающемся постановкой руля в дпа-

268

метраль, очевидно, скорость углового вращения судна будет макси­ мальной, что вызовет уклонение в противоположную сторону, и в ко­ нечном итоге возникнут автоколебания значительной амплитуды. Ста­ билизация системы достигается введением в закон регулирования сиг­ нала по производной отклоняющегося параметра (оценка скорости поворота судна). Сельсин 1 при уходе судна с курса вращает асинхрон­ ный тахогенератор 14. Выходное напряжение тахогенератора имеет

частоту питающей сети по амплитуде пропорционально частоте враще­ ния, а по фазе — эквивалентно направлению движения. Это напряже­ ние через полупроводниковый усилитель У1 направляется на сумма­ тор 10.

Таким образом, угол кладки руля определяется не только величи­ ной, но и скоростью отклонения от курса. Большая скорость требует большего поворота руля. При возвращении на курс сигнал от тахоге­ нератора будет отрицательным (меняется фаза выходного напряжения), способствующим ускорению обратной кладки руля. При большой ско­ рости подхода к заданному состоянию за счет сигнала по производной руль может кратковременно переложиться в противоположную сто­ рону, вызывая так называемое сдерживание судна.

Углы, а также угловые скорости естественного рыскания судна оп­ ределяются состоянием погоды, поэтому сигнал, снимаемый с тахоге­ нератора, регулируют таким образом, чтобы была достаточная стабиль­ ность удержания судна при наименьшем числе перекладок руля. Чув­ ствительность авторулевого регулируется изменением коэффициента усиления усилителя У2.

И н т е г р и р у ю щ е е у с т р о й с т в о . Колебания судна от­ носительно линии курса при работе рулевого автомата могут быть сим­ метричными или несимметричными. Асимметрия уклонений вызывается односторонним действием внешних возмущающих сил, волны, ветра, неравномерной тягой винтов.

Для предотвращения сноса судна из-за несимметричных рысканий в системе АБР имеется интегрирующее устройство. С осью ЛПТр-К связан бесконтактный сельсин 11, работающий в режиме поворотного

трансформатора. Обмотка возбуждения его подключена на сеть, а с двух фаз вторичной обмотки (одна фаза свободна) снимается напряжение, эквивалентное углу ухода судна с курса. Фаза напряжения опреде­ ляется направлением отклонения (знаком угла). Снимаемый сигнал подается на двухфазный асинхронный двигатель с полым ротором 12. При работе двигатель 12 вращается в ту или иную сторону в зависи­

мости от отклонения курса. Через механизм с большим передаточным числом двигатель связан с сельсином-трансформатором 13 и поворот­ ным трансформатором ЛПТр-И. Если судно уходит от курса вправо и влево на разные углы, то время работы двигателя 12 в одну сторону

больше, чем в другую. За несколько циклов уклонений происходит накопление угла и поворот линейного трансформатора ЛПТр-И, вы­ дающего напряжение на сумматор 10. Этот дополнительный сигнал

вызывает постоянное смещение руля на угол, обеспечивающий симмет­ рию рыскания. Дальнейший поворот ЛПТр-И в этом случае прекра­ щается. Вместе с ЛПТр-И поворачивается из нулевого положения

269'